CATIA V5在汽車車身外形設(shè)計(jì)上的應(yīng)用

2016-12-02 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

圖1 汽車Class A曲面

采用CATIA V5的Class A曲面建模功能來(lái)進(jìn)行汽車車身表面設(shè)計(jì),可以有效地縮短車身的開(kāi)發(fā)周期,其應(yīng)用日益廣泛,并且備受用戶好評(píng)。

汽車車身是一個(gè)品牌的標(biāo)志和象征,直接代表著汽車的開(kāi)發(fā)水平。汽車車身的發(fā)展歷史是設(shè)計(jì)師不斷開(kāi)發(fā)新資源,采用新技術(shù)并按照審美的規(guī)律進(jìn)行開(kāi)發(fā)的歷史。現(xiàn)代車身設(shè)計(jì),尤其是外觀件的設(shè)計(jì)已經(jīng)完全擯棄了由二維到三維的階段,而是直接由虛擬三維到實(shí)際三維。由于先進(jìn)設(shè)計(jì)方法和開(kāi)發(fā)工具的出現(xiàn),車身的開(kāi)發(fā)周期已經(jīng)大大縮短了。

車身是汽車產(chǎn)品的外衣,它不僅影響汽車造型的外觀質(zhì)量,而且也影響汽車車身的選材、結(jié)構(gòu)、加工工藝、生產(chǎn)技術(shù)等。一個(gè)外觀質(zhì)量良好的汽車產(chǎn)品,會(huì)給人一種賞心悅目的感受,會(huì)激發(fā)人們的購(gòu)買欲。因此,汽車車身外形設(shè)計(jì)一直是各汽車公司產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)工程。

ClassA曲面簡(jiǎn)介

Class A一詞最初是由Dassault System公司提出并付諸應(yīng)用的,常譯作A級(jí)曲面,專指車身模型中對(duì)曲面要求質(zhì)量較高或者有特殊要求的一類曲面,如外形曲面、儀表板和內(nèi)飾件的表面等。所謂A級(jí)曲面的定義,是必須滿足相鄰曲面之間的間隙在0.005mm以下,切矢改變?cè)?/span>0.16°以下,曲率改變?cè)?/span>0.005°以下的曲面。因此,Class A曲面是既滿足幾何光滑要求,又滿足審美要求的曲面。

在具體采用Class A曲面功能進(jìn)行汽車外形設(shè)計(jì)以前,下面將介紹與此相關(guān)的概念。

1、曲面片

曲面片是構(gòu)造曲面的基本單元,它是由兩個(gè)參數(shù)u、v來(lái)表示的。關(guān)于u、v參數(shù)的范圍對(duì)于曲面片來(lái)說(shuō),u向參數(shù)值從0~1,v向參數(shù)值也從0~1。

CATIA V5在汽車車身外形設(shè)計(jì)上的應(yīng)用Catia應(yīng)用技術(shù)圖片2

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板曲面數(shù)模

2、曲面的階數(shù)

曲面由兩個(gè)參數(shù)u、v來(lái)表示,在曲面的兩個(gè)方向上可以賦予不同的階數(shù),曲面u方向的階數(shù)等于該曲面在u方向的控制點(diǎn)數(shù),而曲面v方向的階數(shù)等于曲面在v方向的控制點(diǎn)數(shù)。

3、曲面的幾何連續(xù)性

曲面的幾何連續(xù)性是指兩曲面在邊界處兩曲面間的幾何連續(xù)性。連續(xù)性包括點(diǎn)連續(xù)、切矢連續(xù)、曲率連續(xù)等。

4、光順性

光順是一個(gè)工程上的概念,主要包括光滑與順眼兩個(gè)含義,帶有一定的主觀色彩,由設(shè)計(jì)工程師根據(jù)自身的經(jīng)驗(yàn)做出判斷,包括:曲線、曲面具有二階幾何連續(xù)性,即光滑性;沒(méi)有多余的拐點(diǎn);曲率變化較均勻;符合設(shè)計(jì)師的主觀感覺(jué)要求。

通過(guò)參閱一些資料,并做大量的曲面和零件設(shè)計(jì),對(duì)Class A曲面的要求包括:曲面片由B樣條方法描述,節(jié)點(diǎn)向量采用累加弦長(zhǎng)參數(shù)化法;曲面在u、v方向上次數(shù)在三次(四階)至七次之間(八階),最高不要大于九次(十階);相鄰曲面片滿足G2連續(xù),至少滿足G1連續(xù),特殊要求滿足G3連續(xù);大的曲面片為全凸的。

CATIA軟件Class A曲面造型功能介紹

CAITA V5軟件是法國(guó)Dassault System公司開(kāi)發(fā)的一種主流的CAD/CAM/CAE一體化軟件。CATIAV5是汽車工業(yè)的實(shí)施標(biāo)準(zhǔn),是歐洲、北美和亞洲頂尖汽車制造商所選用的核心系統(tǒng)。

CATIAV5在造型風(fēng)格、車身及引擎設(shè)計(jì)等方面具有獨(dú)特之處,為各汽車廠商的設(shè)計(jì)和制造提供了端到端(End-to-End)的解決方案。該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的曲面造型功能,主要的曲面造型模塊包括:創(chuàng)成式曲面設(shè)計(jì)、自由外形設(shè)計(jì)、創(chuàng)成式曲面設(shè)計(jì)優(yōu)化、白車身設(shè)計(jì)等。CATIA外形設(shè)計(jì)和風(fēng)格設(shè)計(jì)解決方案為Class A曲面的生成提供了廣泛的集成化工具。

CATIA V5在汽車車身外形設(shè)計(jì)上的應(yīng)用Catia應(yīng)用技術(shù)圖片3

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板等照度線(Isophote)分析效果圖

設(shè)計(jì)人員采用CATIA V5實(shí)時(shí)建模,關(guān)聯(lián)性曲面建模、捕捉設(shè)計(jì)意圖和整體曲面修改等卓越的曲面造型技術(shù),可生成構(gòu)造既美觀又符合人體工程需要的CLASS A 汽車外形,還可實(shí)時(shí)渲染,產(chǎn)生高質(zhì)量的逼真的效果圖(如圖1)。

ClassA曲面的技術(shù)要求和生成方法

1Class A曲面的技術(shù)要求

Class A曲面的具體技術(shù)要求是:

(1) Class A曲面必須是光順曲面;

(2) Class A曲面的特征網(wǎng)格線必須均勻合理地分布,最好在某一投影面上以矩形方式分布;

(3) Class A曲面的特征網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上表示曲面曲率方向的箭頭最好指向一致;

(4) 兩相鄰曲面在與兩曲面相接線的垂直方向,兩曲面的階數(shù)最好一致,這樣在曲面匹配處理后不會(huì)產(chǎn)生不必要的曲面扭曲變形。

2Class A曲面的生成方法

(1) 特征分析

在進(jìn)行車身Class A曲面設(shè)計(jì)之前,首先要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行特征分析,定義車身上曲面的分塊原則以及分塊方式,捕捉車身特征線等。

(2) 單個(gè)曲面片設(shè)計(jì)

首先,用一個(gè)階數(shù)較小的曲面進(jìn)行擬合,一般是4×4階曲面,這樣就能較容易地調(diào)整出一個(gè)較為近似的曲面。該曲面的基本特征是擬合精度不是太高,但曲面光順性良好。

其次,提高曲面階數(shù)的方法,來(lái)提高曲面的擬合精度。但是隨著曲面階數(shù)的提高,給曲面的調(diào)整帶來(lái)許多的困難與工作量。一般來(lái)說(shuō),Class A曲面的u、v方向的次數(shù)要控制在5次(6階)高不超過(guò)7次(8階)。

最后,對(duì)曲面進(jìn)行曲面精細(xì)調(diào)整,應(yīng)將曲面上所有的橫向、縱向網(wǎng)格線投影到不同平面上,以生成高質(zhì)量的曲面。

(3)曲面匹配處理

曲面片生成之后,對(duì)相鄰的曲面片之間必須進(jìn)行匹配處理,以生成曲率連續(xù)的曲面組。曲面匹配就是將一個(gè)曲面的邊界在保證一定連續(xù)性的情況下匹配到另一個(gè)參考曲面的邊界上。在曲面匹配的過(guò)程中要保證匹配后的曲面不會(huì)產(chǎn)生扭曲變形,曲面的網(wǎng)格相對(duì)整潔。

(4)曲面質(zhì)量檢查

曲面生成之后,采用各種曲面質(zhì)量檢查工具,判斷曲面的生成質(zhì)量,以便做出相應(yīng)的修改來(lái)滿足車身外形設(shè)計(jì)的技術(shù)要求。CATIA V5主要的Class A曲面分析工具有:

a、環(huán)境影響分析:該功能主要通過(guò)虛擬環(huán)境圖像投影到曲面上的影像來(lái)分析曲面的質(zhì)量;

b、斑馬線分析:通過(guò)在曲面上生成黑白相間的條紋來(lái)檢查曲面的質(zhì)量,它是常用的檢查曲面質(zhì)量的方法之一;

c、曲面斷面線分析:該方法是用一組平面去切割要分析的曲面,分析這組平面與曲面的交線,即斷面線的質(zhì)量,來(lái)判斷曲面的質(zhì)量。該方法也是一種常見(jiàn)的曲面質(zhì)量評(píng)價(jià)方法;

d、幾何連續(xù)性分析:該工具用于分析兩曲面間的幾何連接性關(guān)系,可以分析兩曲面在連接處的點(diǎn)連續(xù)、切矢連續(xù)、曲率連續(xù)等幾何連續(xù)性的狀況。這種方法是用于判斷兩曲面在相接處的幾何連續(xù)性的主要方法。對(duì)曲面進(jìn)行修剪處理,以生成給定大小與范圍的曲面形狀與邊界。

應(yīng)用實(shí)例

現(xiàn)在以某車型的發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板為例,來(lái)說(shuō)明如何采用CATIA V5軟件的Class A曲面造型功能進(jìn)行車身外形設(shè)計(jì)。

1 、特征分析

通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板點(diǎn)云的分析,確定了發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板Class A曲面的分塊方法。具體的分塊方法是:發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板的中間主體一般由兩塊曲面來(lái)擬合;發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板兩側(cè)一般由兩塊曲面來(lái)擬合;同時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板兩棱線處的曲面可采用橋接曲面來(lái)過(guò)渡。

2 、曲面創(chuàng)建

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板中間曲面采用6×6階曲面進(jìn)行擬合,以點(diǎn)云的剖切斷面線為基準(zhǔn),采用控制點(diǎn)編輯功能,通過(guò)Class A曲面的特征網(wǎng)格的優(yōu)化等方法獲得,同時(shí),對(duì)于兩側(cè)的曲面可采用同樣的方法來(lái)進(jìn)行。

(2)在處理發(fā)動(dòng)機(jī)(轉(zhuǎn)p107) (接p105)罩外板棱線處的曲面時(shí),首先根據(jù)點(diǎn)云生成決定棱線曲面的邊界條件,通過(guò)投影將這兩條曲線分別投影到發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板中間曲面和兩側(cè)曲面上,通過(guò)橋接功能生成棱線處的曲面。

(3)發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板曲面生成之后,根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù),生成發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板的外形輪廓曲線。外形輪廓線的兩側(cè)必須與翼子板的對(duì)應(yīng)輪廓線保持均勻的間隙,輪廓線的前端必須與散熱器面罩和前燈具的上邊界線保持均勻的間隙。通過(guò)投影將這些曲線投影到曲面上,并作相應(yīng)的修剪處理。這樣就得到完整的曲面(如圖2)。

3、曲面質(zhì)量檢查

我們可以利用曲面斑馬線分析檢查功能、曲面斷面線分析功能、幾何連接性分析功能、曲面反射線分析功能等分析手段來(lái)檢查所生成曲面的質(zhì)量,發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,及時(shí)對(duì)相應(yīng)的部位進(jìn)行修改,以滿足Class A曲面的要求(如圖3)。

CATIA V5的Class A曲面建模功能為汽車車身外表面的幾何造型提供了極其豐富的建模手段和曲面品質(zhì)檢驗(yàn)手段,它已越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于世界各大汽車公司的車身外形設(shè)計(jì)上,并發(fā)揮了巨大的作用。

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